两种调速系统下的燃气轮机动态仿真

第３３卷第５期　２００６年５月　应　用　科　技　Ｖ０１．３３．Ｎｏ．５　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ　２００６　文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００６）０５—００２４—０３　两种调速系统下的燃气轮机动态仿真　卫星云，李淑英　（哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘要：采用解析法建立了ｓｌＡ—Ｏ２燃气轮机的数学模型，同时在分析转速调节电路原理的基础上，建立了该　型燃气轮机的改装后电子调速器的数学模型．在模型建立中，主要采用了小偏差线性化的处理方法．应用Ｍａｔ—　ｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件建立该燃机的物理模型，并进行实时仿真　关键词：燃气轮机；电子ｉ周速器；实时仿真　中图分类号：ＴＫ４７２　文献标识码：Ａ　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｎ　ｔｗｏ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ＷＥＩ　Ｘｉｎｇ—ｙｕｎ，ＬＩ　Ｓｈｕ—ｙｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓ１　Ａ－０２　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅ．　．ｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａ．　ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｖｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈ．　ｏｄ．Ｔｈｉｓ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ　，ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＣＯＤＯＧ联合动力装置物理模拟实验台可以模　拟实船的基本运行工况．该联合动力装置燃机主机　采用的是日本生产的Ｓ１Ａ－０２定转速燃气轮机．该机　原先采用机械液压调速系统，系统静态误差６为　４％．在实验中由于突然甩负荷，导致转速增大，但供　油量响应过慢，发生了飞车现象．为了避免该种危险　现象的再次发生，决定在不改变系统静态误差６的　Ｍ　＝　＂Ｉｆ　ｄｉｇ＋Ｍｇ，　式中：Ｍ　为燃气轮机发出力矩；．，为燃气轮机轴系　转动惯量；　为负载力矩；几为燃气轮机轴系转速．　由式（１）按达兰贝尔原理可得　：　＋ＡＭｇ，　（２）　情况下，把调速系统改装为电子调速系统．主要建立　了燃气轮机和电子调速系统的数学模型，应用Ｍａｔ—　ｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ实时仿真技术建立了其物理仿真模型，　得出准确的结果．　式中：Ａｎ、ＡＭ　、ＡＭｇ分别是转速差、燃气轮机发出　力矩差、负载力矩差．　已知Ｍｅ＝９７５　（Ⅳ　为主机功率），对式（２）进　行泰勒展开可得　：　且　＝９７５　１ＯＭ．，　１　主机模型　建立Ｓ１Ａ－０２燃气轮机系统的数学模型¨～　，燃　气轮机轴系上力矩平衡方程为　额定工况）．　＋　（３）　＝一　（下标。表示稳态或　收稿日期：２００４—１２—１３．　作者简介：卫星云（１９７８一）．男，硕士研究生，主要研究方向：燃气轮机仿真，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｃｌ０４２９＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　卫星云，等：两种倜速系统下的燃气轮机动态仿真　已知Ｎ　：／ＩＢ，ｎ），Ｂ为燃料量．市ｌＪ用燃机特性　当转速固定而且等于１００％ｎ。时，给定电路电　曲线簇进行小偏差线性化可得　△　＝　（４）　联立式（２）、（３）、（４），并用相对变量表示可得　。　ｄｔ＋（　一９　７　５　６　Ｎ．）　＝　。　Ａ．　（５）　式中：燃机的相对转速　＝Ａ　ｎ；燃料相对消耗量　＝　ＡＢ；负载相对力矩Ａ＝　．　稳态平衡工况即Ｍｇ０＝Ｍ　时，由拉氏变换可得　（ＶｏＳ＋１）　＝Ｋｌ　一Ｋ２Ａ，　（６）　式中：惯性时间　式中：惯性时间　Ｔｏ　Ｍ　＝　＝ｎｏＪｗ／３０９７５６ＮＪ６ｎ（ｓ）；燃料系数　ｓ）；燃料系数　￣ｏ－Ｂｏ　／ｎＫｌ：　ｏ＝　￣６　ＮＪ　６Ｂ＿＿；贝戟　；负载力矩棍尔烈系数　２：　Ａ　一　＝＿二　ｌ　Ｗｌ　ｅｏ　；其中燃料系数Ｋ－和负载力矩系数　Ｋ！是无量纲量．　２　调辣器分析　２．１液压调速器　该机液压调速系统，系统静态误差６为４％，转　速超调量为７％～８％，过度时间为１０　Ｓ．经推导可知　的传递函数为一阶段性环节：　＝　．　㈩　２．２电子调速器　为了减小超调量，减少过渡时间．把它改为电子　转速调节系统．电子转速系统由转速调节回路和电　液伺服回路２部分组成．其系统静态误差６仍为　４％．　转速调节电路原理图如图１所示，对系统进行　动态分析时所需的电阻参数已在静特性分析时得　到．　在ＳＪ—ＳＪＢ加法节点上的电流关系为　，ｌ＋，ｌｌ＋，Ｉｌｌ＝，２＋１３．　（８）　流，ｌ　１可以忽略不计．ＮＨＰ．电路接受的转速模拟信　１　转速蒯币电路原理图　当ＤＳＰ¨电路的电压信号降低１倍，成为输入给　定电压Ｖｏ　，那么降低该电路电阻即可用Ｒ一代替，则　・　（　０）　柔性反馈电路的反馈电压Ｖｖ，由电阻电位器　Ｒ。分压实现，其中分压比　决定于调定的位置．当　６为４％时，即　＝１，Ｒ　Ｃ　的电路电流为　，２　赢；　（　）　反馈电流：　，３＝　．　）　假设各个变量的相对量为　△ＶｃＥ　Ａｎ　△Ｖ　ＨＰ　Ａｎ　△　ｇ　’　将式（８）～（１２）合并简化，并用相对量表示可得　￣．－ｔｃｅ＝　一　１１５　－４－　ｌ　，　（１３）＝　一Ｒｌ，　＝Ｒ２Ｃ２，Ｔ￣　）ｃ２，　Ｒ３４＝Ｒ３＋Ｒ４（１＋Ｒ３／Ｒ５）．　伺服电路的时间常数为０．１　Ｓ左右，与燃机时　间常数相差１００倍以上，所以在分析动态特性时可　以忽略不计，则有　Ｂ＝Ｋ（ＶｃＥ一４）ｎ．　（１４）　同理，采用小偏差线性化后取相对值处理，并且令　＝　，可得　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２６・　＝应　用　科　技　第３３卷　Ｋ２ｕ　＋　．　（１５）　当燃气轮机在额定工况下运行时，　的变化为　０．０１左右，也可以忽略不计．但在启动时变化较大，　此项不可以忽略．主要考虑在额定工况下加载或减　载。所以可以不计．因而式（１５）变为　＝　．　（１６）　舯：　・　由式（１３）和（１６）可得整个调速系统的传递函数为　＝　Ｉ　Ｓ．　）　一　』　十ｌ　在分析电子调速器时并没有考虑微分电路．如　果考虑微分电路的影响时，转速调节回路的传递函　数变为　寻＝　．　式中：　＝Ｃ。Ｒ　＝Ｃ。（Ｒ。＋　。。）．　由于　远远小于　、　、　，所以可以忽略不　计．微分电路只需考虑（　ｓ＋１）环节．电流伺服回　路实际为一阶惯性环节　，　为电流伺服回路　的惯性时间常数．　与　的数值近似，微分作用正　好与伺服回路的惯性环节相抵消．　３　物理模型　联立式（６）、（１７）应用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模　块建立整个燃机系统的物理实时仿真模型，仿真模　型如图２所示．　图２燃机系统物理模型　４　仿真结果　加载３０％时，转速与供油量在液压调速系统和　电子调速系统下的响应规律如图３和４所示．通过　对比可以得知：负载变化时，电子调速器的响应要比　图３转速响应比较　十Ｏ　Ｏ　Ｏ　２　４　，　Ｏ　Ｏ　０　：　誊２　占＿’——吉——　——　——　广－０　（ｂ）电子调速器转速响应　斗　∥　Ｓ　图４供油量响应比较　６　５　结　论　８　１）建立了２种调速系统下的Ｓ１－０２燃气轮机系　统的数学和物理仿真模型．通过对仿真结果的分析，　应用性能优越的电子调速系统可以避免危险的飞车　现象．　２）在分析电子调速系统时，没有考虑微分电路　的影响，从实际中论证了这种分析的正确性．通过调　节Ｃ，与尺　参数选择，也可使　与　的数值近似，　微分作用正好与伺服回路的惯性环节相抵消．理论　上也证明了这种分析的正确性．　参考文献：　［１］张彪．柴一燃联合动力装置（ＣＯＤＯＧ）实验台仿真与　实验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，１９９７．　［２］倪维斗．热能动力系统建模［Ｍ］．北京：科学出版社，　１９９６．　［３］翁史烈．船舶燃气轮机仿真［Ｍ］．上海：上海交通大学出　版礼，１９８７．　［责任编辑：姜海丽］　￡妄一ｌ